CC BY
217
УДК 625.7/.8
ОСОБЕННОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ БИТУМА С МИНЕРАЛЬНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ ИЗ КИСЛЫХ ПОРОД
А.М. Гридчин, профессор, д.т.н., В.В. Ядыкина, профессор, д.т.н., Белгородский государственный технологический университет
им. В.Г. Шухова
Аннотация. Рассмотрено взаимодействие битума с минеральными материалами из кислых пород с разным уровнем активных адсорбционных центров на их поверхности. Исследованы свойства асфальтовяжущих с использованием минеральных порошков из различных пород. Сделан вывод о том, что при получении органоминеральных композитов необходимо учитывать состояние поверхности минеральных материалов.
Ключевые слова: битум, минеральные материалы, поверхность, адсорбционные центры.
Введение
Свойства битумоминеральных композитов зависят от процессов взаимодействия минеральных составляющих и битума на их общей поверхности раздела.
Применяемые в дорожном строительстве минеральные материалы многообразны по своему химическому составу и строению поверхности. Наибольшие различия в молекулярно-поверхностных свойствах, определяющих сцепление с вяжущим, наблюдаются между материалами карбонатных пород и кварцевыми, кислыми материалами.
Традиционно принято считать, что материалы из кислых пород плохо взаимодействуют с битумом. Однако, поверхность минеральных материалов, встречающихся в дорожно-строительной практике, мозаична, и каждая активная зона адсорбирует определенный вид полярных групп. Заряд поверхности минеральных материалов обусловливается наличием свободных ненасыщенных валентностей у поверхностного слоя ионов, участвующих в построении кристаллической решетки минералов, входящих в состав горной породы.
Поэтому по химическому и минеральному составу породы не всегда можно однозначно
судить о процессах взаимодействия с битумом и о влиянии на свойства асфальтобетона.
Свойства поверхности минеральных материалов имеют решающее значение в процессах прилипания вяжущих. Иногда эти процессы в дорожной литературе трактуются в духе несколько упрощенных электростатических представлений: частицы кислых пород заряжены отрицательно, в битумах содержатся вещества анионной природы, поэтому нет взаимодействий между ними, приводящих к прочному прилипанию.
При производстве асфальтобетонных смесей допускается применение попутнодобывае-мых пород и отходов промышленности в качестве минеральных составляющих, которые часто не только экономически выгодны, но и оказывают положительное влияние на качество асфальтобетона.
Теоретические предпосылки использования кислых техногенных материалов
Техногенные сырьевые материалы в значительной степени отличаются от традиционных, в частности, отходы КМА являются кислыми и содержат некоторое количество оксидов железа. Так, в кварцитопесчанике Лебединского ГОКа количество диоксида кремния составляет более 90 %, что согласно
существующим представлениям [1], не обеспечивает надлежащего сцепления с битумом.
Однако известно, что при взаимодействии минеральных материалов с органическим вяжущим, битум вступает в контакт с поверхностно-адсорбционным слоем, состав которого может значительно отличаться от состава породы и, за счет этого, оказывать влияние на сцепление [2].
Кроме того, в кварцитопесчанике содержится метаморфогенный кварц зеленосланцевой степени метаморфизма, который благодаря специфике генезиса имеет ряд структурных дефектов [3]. Их наличие не может не отражаться на состоянии и свойствах поверхности породы, а именно, на концентрации активных поверхностных центров.
Известно, что на поверхности твердых минеральных материалов, в том числе кремнезем-содержащих, имеются кислотные и основные центры Льюисовского и Бренстедовского типов, которые, очевидно, и определяют ее активность по отношению к вяжущим и способность обеспечивать прочные адгезионные контакты между вяжущим и поверхностью минеральных материалов.
Одним из современных комплексных критериев оценки дисперсных материалов, позволяющих судить о физико-химическом состоянии поверхности минерального вещества и ее активности, является распределение центров адсорбции (РЦА) [4].
Этот метод, в спектрофотометрическом варианте, основанный на изменении окраски раствора при адсорбции индикатора на активных поверхностных центрах твердого тела, был впервые использован нами [5] для оценки активности поверхности минеральных материалов асфальтобетонных смесей, для прогнозирования взаимодействия их с битумом и влияния на свойства асфальтобетона.
В данной работе проведено сравнение состояния поверхности гранита, кварцевого песка и кварцитопесчаника одинаковой дисперсности. Причем последние два материала имеют одинаковый химический и минералогический состав.
Результаты исследований
Исходя из традиционных представлений, активность битумов по отношению к минеральным материалам определяют в основном анионактивные вещества - асфальтогеновые и нафтеновые кислоты, поэтому они будут взаимодействовать с основными брендсте-довскими центрами, которых на поверхности кварцитопесчаника значительно больше, чем на поверхности гранита и кварцевого песка. Кроме того, общее число активных центров на поверхности кварцитопесчаника также выше, чем на традиционных минеральных материалах, поэтому можно предположить, что он будет более активно взаимодействовать с битумом (табл.1).
Так как молекулы органических веществ, входящих в состав битума, являются сложными и содержат большое количество разнообразных функциональных групп, есть основание предполагать, что адсорбция их будет прочной и необратимой.
Таблица 1 Суммарное содержание центров адсорбции, х 103 мг-экв/г
Минеральный материал по БренстедуКислоты по БренстедуОснования по ЛьюисуКислоты Общее количество активных центров
Кварцитопесчаник 14,28 10,56 1,97 26,81
Гранит 12,28 6,60 1,10 19,98
Кварцевый песок 10,0 7,80 0,45 18,25
Характер процессов на границе «поверхность минерального материала - битум» изучался по степени адгезии битума к каменным материалам и по влиянию минерального порошка на свойства асфальтовяжущего.
Так, на поверхности кварцитопесчаника после десорбции битума бензолом остался 61 % первоначально адсорбированного вяжущего, а на поверхности кварцевого песка - 28 %.
Полученные результаты можно отнести за счет происходящих между органическими и минеральными материалами хемосорбцион-ных процессов, обусловленных наличием на поверхности активных центров адсорбции.
Таблица 2 Поверхность минерального материала, покр ытая битумом
Минеральный материал Адгезия битума методом красителей, % Адгезия битума весовым методом, %
до кипячения после кипячения коэффициент адгезиионной устойчивости
Кварцитопесчаник 77 65 0,84 76
Гранит 76 46 0,60 65
Кварцевый песок 62 30 0,48 48
Известняк 84 74 0,88 78
Примечание. Минеральный материал фракции 0,315 - 0,63 мм.
Это подтверждено результатами ИК-спектро-скопических исследований. ИК-спектры образцов битума после взаимодействия с порошком из кварцитопесчаника характеризуется снижением интенсивности соответствующих пиков, что свидетельствует об уменьшении количества ароматических (1600 см-1), нафтеновых (875,675 см-1) соединений, кислотных групп (1720 см-1) в составе битума после взаимодействия его с минеральным порошком из кварцитопесчаника.
должно позитивно отразиться на свойствах органоминеральных композитов.
Для оценки материала и показатели избирательной
сцепления минерального битума были определены сцепления методом
адсорбции красителей и
весовым методом.
Результаты исследований (табл. 2) показывают, что способность кварцитопесчаника и песка, имеющих практически одинаковые химический и минералогический составы, удерживать на своих поверхностях битумную пленку совершенно различны, причем, квар-цитопесчаник по этому показателю ближе к известняку, чем к граниту и кварцевому песку.
Аналогичный характер адгезии битума к поверхности минеральных материалов прослеживается и при изучении фотоснимков биту-моминеральных материалов (рис.3), из которых видно, что практически вся поверхность кварцитопесчаника покрыта пленкой битума, в отличие от кварцевого песка.
Таким образом, установлено, что при взаимодействии битума с кварцитопесчаником происходит образование химических связей за счет наличия активных адсорбционных центров на его поверхности, обусловливающее хорошее сцепление с битумом, что
Кварцитопесчаник Кварцевый песок
Рис. 1. Адгезия битума на поверхности минеральных материалов
Значительное влияние на качество асфальтобетона оказывают свойства асфальтовяжуще-го вещества «битум - минеральный порошок», поэтому изучение свойств асфальтовя-жущего (табл. 3) позволяет получить наиболее полное представление о взаимодействии исследуемого минерального материала и битума, а также прогнозировать свойства асфальтобетона на таких материалах.
Исследования асфальтовяжущего показывают, что содержание диоксида кремния ^Ю2) в минеральном материале имеет большое, но не решающее значение при взаимодействии с битумом.
При использовании кварцитопесчаника ас-фальтовяжущее имеет наиболее высокие показатели, а при использовании кварцевого песка - самые низкие, хотя они имеют одинаковый химический и минералогический состав.
Свойства асфальтобетона с минеральной частью, состоящей полностью из кварцитопес-
чаника, характеризуются высокими показателями, удовлетворяющими требования ГОСТ.
Таблица 3 Физико-механические свойства асфальтовяжущего
Минеральный порошок
Показатели кварцито-песчаник гранит кварцевый песок известняк
Водонасыщение, % 2,32 2,55 2,94 1,95
Средняя плотность, кг/м3 2320 2310 2210 2100
Набухание, % 2,50 2,63 2,73 2,01
Прочность при сжатии, МПа, при
50 °С 2,8 2,6 2,1 3,0
20 °С 6,4 6,1 5,6 7,0
в водонасыщенном состоянии при 20 °С 5,2 4,5 3,8 6,0
Водостойкость 0,81 0,74 0,68 0,86
Это позволяет сделать вывод о возможности производства асфальтобетона со щебнем, песком и минеральным порошком из кварци-топесчаника, при наличии достаточного количества мелкой фракции (мельче 0,071 мм) в отсеве дробления.
Заключение
При выборе минерального сырья, особенно техногенного, и обосновании возможности использования того или иного отхода промышленности в качестве минерального компонента, необходимо учитывать не только соответствие его требованиям ГОСТ по гранулометрическому составу, пористости, набуханию, битумоемкости, или принадлежность его к материалам с кислотными или основными свойствами, исходя из химического состава, но и обязательно - состояние их поверхности, а именно, наличие на ней активных адсорбционных центров, которые могут адсорбировать практически все органические соединения, содержащиеся в битуме, и за счет этого обеспечивать прочные адгезионные контакты между вяжущим и поверхностью минеральных материалов.
Вышеизложенное опровергает устоявшиеся взгляды на неэффективность использования минеральных материалов из кислых пород в органоминеральных композитах, и позволяет предложить новый критерий оценки минерального сырья для производства асфальто-
бетона по количеству активных адсорбционных центров на его поверхности.
Литература
1. Гезенцвей Л.Б., Горелышев Н.В., Богуслав-
ский А.М., Королев И.В. Дорожный асфальтобетон / Под ред. Л.Б. Гезенцвея. Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Транспорт. - 1985. - 350 с.
2. Кучма М.И. Поверхностно-активные веще-
ства в дорожном строительстве. - М.: Транспорт, 1980. - 191 с.
3. Лесовик В.С. Повышение эффективности
производства строительных материалов с учетом генезиса горных пород: Научное издание. - М.: Изд-во АСВ, 2006. -526 с.
4. Комохов П.Г., Шангина Н.Н. Конструиро-
вание композиционных материалов на неорганических вяжущих с учетом активных центров поверхности наполнителя // Вестник отделения строительных наук РААСН. - 1996. - №1. - С. 31.
5. Ядыкина В.В. Повышение качества ас-
фальто- и цементобетона из техногенного сырья с учетом состояния его поверхности: Автореф. дис... докт. техн. наук. - Белгород, 2004. - 42 с.
Рецензент: В.А. Золотарев, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 15 декабря 2007 г.
